Mikrobielle Fabriken Produktivitätssteigerung durch die neuesten Bioreaktor-Technologien

Unsere Forschung schöpft das maximale Potenzial von Mikroalgen und anderen mikrobiellen Kulturen für die Produktion von Lebensmitteln, Biokraftstoffen und vielen anderen Bioprodukten aus. Mit den neuesten Technologien im Bereich des Bioreaktordesigns optimieren wir die Zellproduktivität durch Beleuchtungssysteme, Zellnährstoffquoten, Gasaustausch und Hydrodynamik.

ISS

Mikrobielle Fabriken im Weltraum - ein nachhaltiges Materialkonzept. HSLU, ESA Astrium, Inspire

Die Erforschung des Weltraums mit Reisen zu fernen Planeten und unbemannten Missionen außerhalb unseres Sonnensystems erfordert die Herstellung neuer Komponenten und Raumfahrzeuge auf weit von der Erde entfernten Raumstationen. Unser Interesse gilt der Herstellung und dem Recycling verschiedener Bioprodukte, die mit Hilfe von Biochemikalien aus Mikroorganismen, insbesondere Algen und Hefe, hergestellt werden. Die Entwicklung von Bioreaktoren zur Züchtung von Zellkulturen mit der biochemischen Zusammensetzung zur Herstellung von Kraftstoffen, Kunststoffen, Kohlenstofffasern, Bioklebern, Enzymen, Metallen, Lebensmitteln und anderen Materialien wird große Mengen an im Weltraum benötigten Ressourcen liefern.

Um das Wachstum und die Biochemie von mikrobiellen Kulturen im Weltraum zu optimieren, untersuchen wir, wie Zellen und Bioreaktorsysteme durch Mikrogravitation und kosmische Strahlung beeinflusst werden. Bioreaktordesigns können so optimiert werden, dass sie den Lipid- (Fett), Kohlenhydrat- und Proteingehalt der Zellen sowie die Nährstoffaufnahmeraten, die Absetzgeschwindigkeiten und die Gesamtproduktivität beeinflussen.

Publikation: Algal bioreactor history

Grünalgen

Die Algen-Technologie-Gruppe

Die Algen-Techologie-Gruppe ist ein Teil des Kompetenzzentrums (CC) Biomedical Science and Engineering an der Hochschule Luzern und Mitglied der European Algal Biomass Association (EABA). Die Gruppe ist spezialisiert auf biophysikalische Wechselwirkungen, Bioreaktor Kinetik und Modellierung sowie Chemie und Biotechnologie. 

Der Schwerpunkt liegt auf der Weiterentwicklung biologischer, chemischer und physikalischer Aspekte mikrobieller Bioreaktorsysteme und der Anwendung dieser Technologie zur Kommerzialisierung von mikrobiellen Fabriken auf der Erde. 

Diese Forschung und Entwicklung hat zu Fortschritten in folgenden Bereichen geführt:

  • Optimierung der Zellwachstumsrate und Biomassenkonzentration sowie die Erforschung von mikrobiellen Bio-Produkten.
  • Experimente zur Lipidproduktion von Algenzellen und deren Quantifizierung unter Verwendung einer Kombination verschiedener Methoden  (z.B. Mikroskopie, flow cytometry, FTIR, GC,, TGA)
  • Nutzung von Bioreaktoren in der Architektur und der Gebäudetechnik für energieeffiziente und nachhaltige Gebäude.
  • Entwicklung eines negativen CO2-Algen-Biokraftstoffs. Mit der Verwendung eines automatisieren 200-Liter-Bioreaktors soll die Lipidproduktion der Algen optimiert werden.
 
Lichtschrank

Algenkulturen

Algenkulturen sind fast ausschliesslich Meeresphytoplankton (Kieselalgen, Grünalgen und Kalkalgen). Die Zellen werden in einem temperierten Raum bei 12 und 15° C und 250-400 PPF PAR produziert. Die Kulturmedien sind f/2, h/2 und f/25.

Publikation

Kohlenstoffgewinnung und -nutzung

Wir haben erfolgreich ein System getestet, mit dem Kohlendioxid von 0,04 % in der Luft auf 10 % in einem hydratisierten Medium eines Algenbioreaktors konzentriert werden kann. Durch Photosynthese verbrauchen die Algen Kohlendioxid und produzieren Sauerstoff und Biomasse, während sie gleichzeitig Nährstoffe aufnehmen. Dieses System kann weltweit skaliert werden, um jährlich Gigatonnen atmosphärischen Kohlendioxids zu binden. In Verbindung mit einem effizienten Algenbioreaktor könnte das System kohlenstoffnegativ sein.

Abb.: Algenbiomasse, die auf abgeschiedenem Kohlendioxid wächst, im Vergleich zu einer Kontrolle mit Luft.